編輯總結
壓電材料在受應變時能產生電能，因此在傳感器或執行器中有廣泛應用。由于種種原因，良好的壓電材料通常是電絕緣體或寬禁帶半導體。本研究展示了來自半哈斯勒家族的窄禁帶半導體也具有良好的壓電特性。他們發現至少有三種無鉛成分在高溫下仍具有良好的壓電應變系數。這些材料的特性組合使它們成為與傳統壓電材料不同的一系列應用的良好候選材料。——Brent Grocholski
研究背景
壓電換能技術可以實現機械能和電能之間的直接轉換，廣泛應用于傳感器、聲學、成像、驅動和能量采集等多個領域。傳統的壓電材料研究主要集中在具有寬禁帶（Eg > 2.0 eV）和低電導率的陶瓷和單晶材料上。相較之下，窄禁帶（Eg < 1.0 eV）半導體材料通常表現出較高的電導率，這不利于電荷的有效積累和穩定電壓響應。因此，窄禁帶半導體材料的壓電效應的實驗研究相對較少。半赫斯勒（Half-Heusler，HH）材料是一個具有豐富電子結構的材料家族，廣泛應用于熱電、磁性、拓撲絕緣體、自旋電子學、超導、催化等多個領域。2012年，美國科學院院士David Vanderbilt及其團隊通過第一性原理計算預測，半赫斯勒窄帶半導體材料具有壓電潛力，并提出通過高質量單晶的生長，可能從實驗上測量該體系的壓電系數。過去十余年，雖然有一些理論計算支持這一預測，但由于半赫斯勒材料的窄禁帶特性以及本征缺陷，導致其室溫電導率達到103~105 S/m，比傳統壓電陶瓷高出十幾個數量級，這使得直接觀察其壓電響應變得極具挑戰性。此外，以往對半赫斯勒體系的研究主要集中在多晶材料上，缺乏高質量單晶的生長研究。迄今為止，國際上尚未有關于半赫斯勒窄帶半導體材料壓電效應的實驗報道。 為此，浙江大學朱鐵軍團隊在半赫斯勒材料的熱電效應研究上積累了近二十年的經驗，并在半赫斯勒材料高質量單晶的生長方面取得了顯著突破，為開展半赫斯勒材料壓電效應研究奠定了堅實的基礎。近日，浙江大學朱鐵軍團隊的黃玉輝/付晨光課題組在Science期刊上發表了題為“Piezoelectricity in half-Heusler narrow-bandgap semiconductors”的最新論文。他們首次實驗觀察到TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb三種半赫斯勒窄禁帶半導體材料的壓電效應，并成功制備了基于TiCoSb-[111]切型晶片的原型壓電器件。該器件在不同外加應力條件下展現出穩定的電壓響應，并成功實現了為電容器充電的應用演示。此外，半赫斯勒材料的壓電響應在室溫至1173K范圍內保持穩定，展現出良好的熱穩定性。研究結果表明，半赫斯勒窄帶半導體材料在壓電領域具有重要的應用潛力。為了測定壓電系數，團隊首先制備了TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb的[111]切型晶片。通過準靜態壓電常數測試方法，得到了這些晶片的垂直壓電應變常數，并根據剪切壓電應變系數d14與垂直壓電應變常數的關系，首次實驗測定了TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb的剪切壓電應變系數，分別約為8 pC/N、38 pC/N和33 pC/N。其中，ZrNiSn和TiCoSb的單晶壓電系數在非中心對稱、非極性壓電材料中屬于較高數值，超過了SiO2、GaSb等傳統寬禁帶壓電材料。此外，團隊開發的基于TiCoSb-[111]切型晶片的壓電器件，在不同的施力大小和持續時間下均表現出穩定的電壓響應，并能夠持續為電容器充電。研究還發現，半赫斯勒材料在室溫至1173K的溫度范圍內展現出優異的熱穩定性，且其壓電響應在該溫度區間保持穩定。這些結果表明，半赫斯勒窄帶半導體材料在壓電領域具有重要的應用前景。 值得注意的是，窄帶半導體的壓電效應機制可能與傳統離子位移型壓電材料不同，這一實驗結果為新型壓電材料的設計和換能技術提供了新的思路。同時，窄帶半導體通常具有顯著的光電、熱電效應，為開發壓電-光電、壓電-熱電等多功能協同效應的電子器件提供了新的可能性。
研究亮點
1.實驗首次觀察到半赫斯勒窄帶半導體材料的壓電效應，并成功制備了基于TiCoSb-[111]切型晶片的原型壓電器件。通過對TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb三種半赫斯勒材料進行實驗，首次在半赫斯勒窄帶半導體中測得了顯著的壓電響應，驗證了其在壓電領域的潛力。2.實驗通過準靜態壓電常數測試，測定了TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb的壓電系數。通過測試得到這些材料的垂直壓電應變常數，并根據剪切壓電應變系數d14與垂直應變常數的關系，首次實驗測定了它們的剪切壓電應變系數，分別為8 pC/N、38 pC/N和33 pC/N，特別是ZrNiSn和TiCoSb的剪切壓電系數較高，超越了傳統寬禁帶壓電材料。 3.基于TiCoSb-[111]切型晶片的壓電器件在不同施力條件下表現出穩定的電壓響應。器件能夠持續為電容器充電，展示出良好的壓電性能。此外，實驗還表明，半赫斯勒材料的壓電響應在室溫至1173K的廣泛溫度范圍內保持穩定，表現出優異的熱穩定性。4.實驗發現，半赫斯勒窄帶半導體的壓電效應機制可能不同于傳統離子位移型壓電材料，這一發現為設計新型壓電材料及其換能技術提供了新的思路。窄帶半導體的光電、熱電等效應也為開發多功能協同電子器件（如壓電-光電、壓電-熱電器件）提供了新的可能性。
圖文解讀
圖2. [111]晶向切割單晶片的制備流程與壓電系數分布圖3. TiCoSb壓電傳感器的壓力靈敏度測試及電容器充電實驗
結論展望
本文觀察到PC和單晶半赫斯勒TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb中的直接壓電效應。單晶ZrNiSn和TiCoSb的壓電應變系數分別在室溫下達到約38和33 pC/N，這在非中心對稱非極性結構的材料中具有重要意義。作者在壓電傳感器中觀察到的大幅壓電響應，尤其是使用單晶TiCoSb [111]切型板演示的結果，凸顯了它們在應用中的潛力。此外，良好的高溫機械穩定性也突顯了它們在先進壓電器件和傳感器中的適用性。具有非中心對稱立方結構的半赫斯勒窄帶隙半導體將這些晶體推向了潛在壓電材料的前沿。半赫斯勒化合物中壓電特性的成功實驗觀察為其在壓電應用中的更廣泛使用奠定了基礎，并促進了窄帶隙半導體中新型壓電材料的探索。Yi Huang et al. ,Piezoelectricity in half-Heusler narrow-bandgap semiconductors.Science387,1187-1192(2025).DOI:10.1126/science.ads9584
